微波-热风联用制取笋干工艺条件优化

姚 荷，谭亦成，谭兴和,*，李清明，王 锋，张春艳，王栏树，成才良，秦长光

（1.湖南农业大学食品科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.食品科学与生物技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128；3.湖南佳宴食品有限公司，湖南 长沙 410000；4.龙山县昶光农业科技发展有限公司，湖南 湘西土家族苗族自治州 416000）

竹笋肉质鲜嫩、美味爽口，富含膳食纤维、蛋白质、多糖、多种维生素和必需氨基酸[1]，且具有清热解毒、抗菌消炎、改善肠道环境、调节血糖平衡等功效[2-3]。我国竹资源丰富，全国现有竹林面积约672万 公顷，竹笋产量高达682.5万 t。但竹笋采收季节短、集中且耐藏性差[4-6]，每年有大量竹笋资源遭到浪费。其中，广大山区淡竹笋产量巨大，但鲜见其保藏加工研究报道。干燥是竹笋加工中常用的一种方法，可使采后竹笋得到有效地保藏[7-8]。传统的干燥方法多采用热风干燥，但热风干燥的时间长、耗能多、产品褐变严重、品质差[9-10]。与热风干燥相比，微波干燥不仅可灭酶杀菌、减少营养损失，防止竹笋褐变，还能使物料内、外同时升温形成整体同步加热，大大缩短干燥时间[11]，但是微波干燥速度过快，不便控制干燥终点，加热时间稍长便会使产品烧焦[12-13]。短时间的微波处理，再结合热风干燥，可以保证产品品质，缩短干燥时间，降低生产成本[14-15]。本研究以淡竹笋（Phyllostachys nigra (Lodd. ex Lindl.) Munro var.henonis (Mitf.) Stapf et Rendle）为原料，采用中心组合试验设计对微波-热风联用制取笋干工艺条件进行优化，探讨不同水平的微波干燥功率、微波干燥时间和热风干燥温度对竹笋干燥品质的影响，以期得到干燥时间短、干燥品质好的笋干产品。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

淡竹笋采自湖南省长沙市长沙县；柠檬酸（食品级） 山东优索化工科技有限公司。

1.2 仪器与设备

101A-3ET电热鼓风干燥箱 上海实验仪器厂有限公司；G70F20CN1L-DG（S0）微波炉 广东格兰仕微波生活电器制造有限公司；WSC-Y型自动测色色差计北京光学仪器厂；AL204电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；TA-XT plus质构仪 北京东方安诺生化科技有限公司；MA45-000230V1自动水分测定仪北京赛多利斯仪器系统有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

选择粗细一致、厚度均匀的淡竹笋，去皮，切成长4 cm、宽1 cm的小段，放入含0.1%柠檬酸溶液中浸泡20 min护色，笋液比为1∶3（g/mL）。取出沥干后，将100 g物料平铺于微波炉中干燥一定时间，取出立刻进行热风干燥，每30 min测笋干含水量，直至物料含水量不大于8 %（当含水量接近10%时，改为每10 min测1 次）。

1.3.2 微波-热风联用制取笋干单因素试验

在预实验基础上，选择效果较好的微波干燥功率、时间和热风干燥温度参数，进行单因素试验。

1.3.2.1 微波干燥功率对竹笋干燥品质的影响

固定微波干燥时间90 s、热风干燥温度60 ℃，分别考察微波干燥功率3.5、4.2、4.9、5.6、6.3、7.0 W/g对竹笋干燥品质的影响。

1.3.2.2 微波干燥时间对竹笋干燥品质的影响

固定微波干燥功率6.3 W/g、热风干燥温度60 ℃，分别考察微波干燥时间0、30、60、90、120、150 s对竹笋干燥品质的影响。

1.3.2.3 热风干燥温度对竹笋干燥品质的影响

固定微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥时间90 s，分别考察热风干燥温度55、60、65、70、75、85 ℃对竹笋干燥品质的影响。

1.3.3 微波-热风联用制取笋干响应面优化试验

根据单因素试验的结果，以微波干燥功率、时间和热风干燥温度为自变量，以干燥时间、复水比、感官评分、色泽、硬度等为响应值，进行3因素3水平响应面分析试验，优化微波-热风联用制取笋干工艺条件，试验因素及水平设计见表1。

表1 响应面试验因素与水平Table 1 Experimental factors and levels used in response surface methodology

1.3.4 指标测定

1.3.4.1 感官评分

感官评分是评价竹笋干燥效果的一个重要指标，分别由10 位有经验的感官评价员根据表2的标准对笋干及复水后竹笋进行打分[14,16]。

表2 笋干感官评分标准Table 2 Criteria for sensory score of dried bamboo shoots

1.3.4.2 总干燥时间

记录水分含量不大于8%所用干燥时间。总干燥时间为微波干燥时间与热风干燥时间之和。

1.3.4.3 复水比

参考郭玲玲等[17]的方法并稍作修改：取5 片笋干称质量，记为m干，在300 mL的蒸馏水中常温浸泡1 h后取出，用干净的纸巾将复水后的竹笋表面擦干，称质量记为m复。复水比值大反映产品复水性能好。平行测定3 次，取平均值。复水比为m复与m干的比值。

1.3.4.4 色差ΔE*

使用WSC-Y型色差仪测定笋干和复水后竹笋的明度指数L*，彩度指数a*和b*。使用以上值计算色差ΔE*[18]。ΔE*=[（ΔL*）2＋（Δa*）2＋（Δb*）2]1/2。ΔE*值越小，笋干和复水后竹笋与鲜笋的色差越小[19]。每组样品测3 次后取平均值。

1.3.4.5 硬度

采用TA-XT plus型质构仪测定笋干和复水后竹笋的硬度[20]。测定条件如下：探头P/36R，测前速率2 mm/s，测试速率1 mm/s，测后速率1 mm/s，压缩程度80%，停顿时间5 s，测试距离30.0 mm，触发值5 g。选取形状、大小接近的笋干测定硬度，重复6 次。硬度是曲线中最高峰值，单位为g，值越大表示所测样品硬度越大[21]。

1.4 数据分析

使用SPSS 18、Origin 8.5和Design Expert 8.0.6软件进行实验设计和数据分析。

2 结果与分析

2.1 微波-热风联用制取笋干单因素试验结果

2.1.1 微波干燥功率对竹笋干燥品质的影响

图1 微波干燥功率对总干燥时间（A）、复水比（B）、色差ΔE*（C）和硬度（D）的影响Fig. 1 Effects of microwave power on total drying time (A),rehydration rate (B), ΔE* (C), and hardness (D)

由图1A可知，随着微波干燥功率的增大，总干燥时间越来越短。根据微波干燥物料原理，物料中的水分子吸收微波能量，使其以极快的速度改变方向，分子间发生碰撞和摩擦，产生大量热量，使物料内部水分迅速蒸发[22]。微波功率越大，水分子吸收能量越多，分子在单位时间内方向改变次数越多，竹笋干燥速度越快。由图1B～D可知，不同微波干燥功率对产品感官评分、复水比、色泽和硬度有显著性影响（P＜0.05）。当微波干燥功率为5.6～6.3 W/g，笋干复水比较高，笋干及复水制品的色差和硬度较小，其中当功率是6.3 W/g时，产品感官评分达到最高78.6±1.85（P＜0.05）。这是由于微波干燥功率低时、干燥时间长、产品中VC损失大、褐变严重，且失水过程中，产品中蒸发掉的水分空间还在，因而具有多孔结构，吸水性和快速复水性较好；微波干燥功率过高时，细胞壁组织被破坏，果胶物质流失[23]，且物料急剧失水，使纤维结构明显并导致焦糊现象发生，产品易碎，因此，笋干及复水制品硬度下降，产品复水性也更差[24]。故确定微波干燥功率6.3 W/g为优化试验的0水平。

2.1.2 微波干燥时间对竹笋干燥品质的影响

图2 微波干燥时间对总干燥时间（A）、复水比（B）、色差ΔE*（C）和硬度（D）的影响Fig. 2 Effects of microwave drying time on total drying time (A),rehydration rate (B), ΔE* (C), and hardness (D)

由图2A可知，随着微波干燥时间的延长，总干燥时间不断减少，当达到120 s后，总干燥时间基本不变。由图2B～D可知，不同微波干燥时间对产品感官评分、复水比、色差和硬度有显著性影响（P＜0.05）。当微波干燥时间为60～90 s时，产品复水性较好，笋干及复水制品色差和硬度较低，产品感官评分在干燥时间为90 s时达到最大值80.3±2.15（P＜0.05）。说明微波短时干燥期间，物料吸收能量，温度上升很快，微波的快速热释放促使物料中水蒸气强制排出，竹笋含水量迅速下降[25]，但干燥时间过长时，会由于升温过快使蒸发的水得不到即时散失，物料表面与内部水分不平衡，发生了焦糊现象，形成的糊状物覆盖了表面[26]，不仅影响水分散发，同时也使产品色差增大，此时微波干燥时间的延长对干燥速率影响不大。虽然增加微波干燥时间可加快干燥速率、减少干燥时间、降低干燥能耗，但同时很难保证良好的干燥品质。综上可知，确定微波干燥时间90 s为优化试验的0水平。

2.1.3 热风干燥温度对竹笋干燥品质的影响

由图3可知，当热风干燥温度不断升高时，总干燥时间随之减少。不同热风干燥温度对产品感官评分、复水比、笋干色差、笋干及复水制品的硬度有显著性影响（P＜0.05），对复水制品的色差没有显著性影响（P＞0.05）。在热风干燥温度为55～65 ℃时，产品复水比较高，笋干和复水制品的色差较小，在55～60 ℃时，笋干和复水制品的硬度较低，在热风干燥温度为60 ℃时，感官评分达到最高为80.5±2.67。高温和长时间干燥会使物料VC和叶绿素流失，并增加了一系列酶促和非酶促褐变反应机会，导致产品褐变严重，颜色不均匀[27]。高温致使物料水分及果胶等物质大量散失，干燥层崩解，物料塌陷收缩，硬度因此增大，复水比相应减小。而热风干燥温度过低不仅延长了总干燥时间，还加剧了美拉德反应，使色差变大。综合考虑，确定热风干燥温度60 ℃为优化试验的0水平。

图3 热风干燥温度对总干燥时间（A）、复水比（B）、色差ΔE*（C）和硬度（D）的影响Fig. 3 Effects of hot air drying temperature on total drying time(A),rehydration rate(B), ΔE* (C), and hardness (D)

2.2 响应面优化试验设计与结果

结合单因素试验结果，根据中心组合试验设计原理，选取微波干燥功率、时间和热风干燥温度为试验因素，进行微波-热风联用制取笋干工艺条件优化试验，如表3所示。

表3 响应面试验设计方案及结果Table 3 Experimental design and results of response surface methodology

2.3 回归方程的建立及变量分析

利用Design Expert 8.0.6软件对试验数据进行二次多项式回归分析，得到各因素对产品感官评分、总干燥时间、复水比、色差及硬度响应值之间的三元二次回归方程（1）～（7），方程回归系数及显著性分析如表4所示。

如表4所示，试验各指标的模型极显著（P＜0.01），说明各响应值与三因素的二次回归方程存在极显著的线性相关性。各响应值的失拟项不显著（P＞0.05），说明该模型与实际情况的拟合程度较好，试验误差小。方程的多重相关系数R2分别为0.985 6、0.992 0、0.922 2、0.971 1、0.964 4、0.926 1、0.953 9，说明试验建立的模型能分别解释98.56%、99.20%、92.22%、97.11%、96.44%、92.61%、95.39%响应值的变化，且模型的信噪比分别为21.561、36.956、8.393、18.174、13.615、9.335、12.543，变异系数分别为1.93%、2.97%、2.96%、5.75%、5.58%、8.30%、3.63%，所以该模型能很好地表述竹笋在微波-热风干燥后其品质随干燥条件的变化规律。因此，可以用该模型来分析和预测微波-热风联用制取笋干的工艺条件。

表4 回归系数及显著性分析Table 4 Significance analysis of regression coefficients

由各因素对响应值影响程度分析可知，影响产品感官评分和总干燥时间的因素主次顺序为微波干燥时间（B）＞热风干燥温度（C）＞微波干燥功率（A）；影响产品复水比和复水制品硬度的因素主次顺序为微波干燥功率（A）＞热风干燥温度（C）＞微波干燥时间（B）；影响干制品色差的因素主次顺序为微波干燥功率（A）＞微波干燥时间（B）＞热风干燥温度（C）；影响复水制品色差的因素主次顺序为微波干燥时间（B）＞微波干燥功率（A）＞热风干燥温度（C）；影响干制品硬度的因素主次顺序为热风干燥温度（C）＞微波干燥功率（A）＞微波干燥时间（B）。其中，微波干燥功率对产品感官评分、总干燥时间、干制品和复水制品色差、复水制品硬度影响极为显著，对产品复水比和干制品硬度影响显著；微波干燥时间对产品感官评分、总干燥时间、干制品和复水制品色差影响极为显著，对干制品硬度影响显著，对产品复水比和干制品硬度影响不显著；热风干燥温度对产品感官评分、总干燥时间影响极为显著，对产品复水比、干制品色差、干制品和复水制品硬度影响显著，对复水制品色差影响不显著。

2.4 交互作用分析

为更直观地反映各因素对微波-热风干燥的竹笋品质的影响，根据回归分析结果做出影响显著的各因素交互作用响应面图，见图4。

图4 各因素交互作用对竹笋干燥品质影响的响应面图Fig. 4 Response surface graphs showing the interactive effect of factors on hardness of dried product

从图4a可以看出，当固定热风干燥温度为60 ℃时，观察微波干燥功率和时间交互作用对干制品硬度的影响，干制品硬度随微波干燥功率增加而缓慢地先增大后变小，随微波干燥时间的延长先减小后增大，响应面呈现一个明显凹面，因此微波干燥功率和时间交互作用对干制品硬度有影响。从图4b可以看出，固定热风干燥温度为60 ℃，观察微波干燥功率和时间交互作用对复水制品硬度的影响，复水制品硬度随微波干燥时间的延长先减小后增大，当微波干燥功率从5.6 W/g增加到7.0 W/g时，复水制品硬度随之不断增大，因此微波干燥功率和时间交互作用对复水制品硬度有影响。

2.5 最佳工艺条件的确定及验证实验

表5 各指标理论值和验证实验结果Table 5 Theoretical and experimental values of drying characteristics and quality

根据响应面优化分析所得微波-热风联用制取笋干最佳工艺条件为：微波干燥功率6.5 W/g、微波干燥时间60 s、热风干燥温度65 ℃。为进一步验证模型的可靠性，在此最佳条件下进行验证实验，考虑到实际可操作性，将最佳工艺条件修改为：微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥时间60 s、热风干燥温度65 ℃，得到验证实验结果见表5。验证实验结果与模型理论值较接近，说明采用该工艺条件可靠。

3 结 论

本实验研究了微波干燥功率、时间和热风干燥温度对竹笋微波-热风干燥产品感官评分、总干燥时间、复水比、色差和硬度的影响，采用响应面试验设计优化得到了各因素与响应值关系的回归模型，得到微波-热风联用制取笋干最佳工艺条件为：微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥时间60 s、热风干燥温度65 ℃。在此条件下得到的笋干感官评分85.6、总干燥时间200 min、复水比6.17，干制品色泽ΔE* 19.99、复水制品色差ΔE* 13.92、干制品硬度19 511.23 g、复水制品硬度20 010.71 g。实验证明此模型合理可靠，可用于生产预测和控制。使用此工艺得到的产品品质好、干燥时间少，即可避免竹笋季节性浪费，又可节省生产成本，对今后竹笋产业发展具有重要意义。